16*16LED点阵广告屏设计.doc
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1、宝鸡职业技术学院目录第一章 绪 论1第二章 硬件设计2第三章 软件设计12总结15参考文献16附录一:程序清单17 第一章 绪 论单片微型计算机(single chip microcomputer)简称单片机,它是为各类专用控制器而设计的通用或专用微型计算机系统,高密度集成了普通计算机微处理器,一定容量的RAM和ROM以及输入/输出接口,定时器等电路于一块芯片上构成的。单片机自20世纪70年代问世以来,以极其高的性价比受到人们的重视和关注,所以应用很广,发展很快。单片机的优点是体积小、重量轻、抗干扰能力强,对环境要求不高,价格低廉,可靠性高,灵活性好,开发较为容易。在现代工业控制和一些智能化仪
2、器仪表中,越来越多的场所需要用点阵图形显示器显示汉字,汉字显示屏也广泛应用到汽车报站器,广告屏等。所以研究LED显示有实用的意义。汉字显示方式是先根据所需要的汉字提取汉字点阵(如1616 点阵),将点阵文件存入ROM,形成新的汉字编码;而在使用时则需要先根据新的汉字编码组成语句,再由MCU根据新编码提取相应的点阵进行汉字显示。不论显示图形还是文字,都是控制与组成这些图形或文字的各个点所在位置相对应的LED器件发光。通常事先把需要显示的图形文字转换成点阵图形,在按照显示控制的要求以一定的格式形成显示数据。对于只控制通断的图文显示屏来说,每个LED发光器件占据数据中的1位(1bit),在需要该LE
3、 D器件发光的数据中相应的位填1,否则填0。当然,根据控制电路的安排,相反的定义同样时可行的。这样依照所需显示的图形文字,按显示屏的各行各列逐点填写显示数据,就可以构成一个显示数据文件。显示图形的数据文件,其格式相对自由,只要能够满足显示控制的要求即可。文字的点阵格式比较规范,可以采用现行计算机通用的字库字模。组成一个字的点阵,其大小也可以有1616、2424、3232、4848等不同规格。用点阵方式构成图形或文字,是非常灵活的,可以根据需要任意组合和变化,只要设计好合适的数据文件,就可以得到满意的显示效果。因而采用点阵式图文显示屏显示经常需要变化的信息,是非常有效的。第二章 硬件设计2.1设
4、计框图及介绍 LED点阵总体框图如图2.1所示,点阵电路大体上可以分成微机本身的硬件、显示驱动电路、控制信号电路三部分。控制电路部分包括一个51CUP和一些外围电路。在整个电路当中此控制电路部分相当于一个上位机,它负责控制整个电路以及相应的程序的运行、与PC机的串行通讯、以及给屏体电路部分发送命令。点阵显示屏体、以及它的行和列的各个驱动电路。由于两部分的电路在制板时可以放到一起,所以可以将其字库放到控制电路部分使用串行通讯方式来与屏体电路部分进行数据和命令的传送。此显示电路采用扫描方式进行显示时,每行有一个行驱动器,各行的同名列共用一个列驱动器。由行译码器给出的行选通信号,从第一行开始,按顺序
5、依次对各行进行扫描(把该行与电源的一端接通)。另一方而,根据各列锁存的数据,确定相应的列驱动器是否将该列与电源的另一端接通。接通的列,就在该行该列点燃相应的LED;未接通的列所对应的LED熄灭。可通过扫描输出口的控制实现颜色的转换。图2.1 点阵显示的总体框图2.2 51系列单片机简介单片机(Microcontroller,又称微处理器)是在一块硅片上集成了各种部件的微型机,这些部件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时器/计数器和多种I/O接口电路。AT89C51单片机的基本结构见图2.2图2.2 51单片机的基本结构51是MCS-51系列单片机的一个产品。MCS-5
6、1系列单片机是Intel公司推出的通用型单片机, 51单片机系列指的是MCS-51系列和其他公司的51衍生产品。这些衍生品是在基本型基础上增强了各种功能的产品。这些产品给8位单片机注入了新的活力,给它的开发应用开拓了更广泛的前景。51系列的内部结构可以划分为CPU、存储器、并行口、串行口、定时器/计数器、中断逻辑几部分。(1)中央处理器51的中央处理器由运算器和控制逻辑构成,其中包括若干特殊功能寄存器(SFR)。算术逻辑单元ALU能对数据进行加、减、乘、除等算术运算;“与”、“或”、“异或”等逻辑运算以及位操作运算。PSW的格式如下所示,其各位的含义是:CY:进位标志。有进位/错位时CY=1,
7、否则CY=0。 AC:半进位标志。当D3位向D4位产生进位/错位时,AC=1,否则AC=0,常用于十进制调整运算中。F0:用户可设定的标志位,可置位/复位,也可供测试。RS1、RS0:四个通用寄存器组选择位,该两位的四种组合状态用来选择03寄存器组。OV:溢出标志。当带符号数运算结果超出-128+127范围时OV=1,否则OV=0。当无符号数乘法结果超过255时,或当无符号数除法的除数为0时OV=1,否则OV=0。P:奇偶校验标志。每条指令执行完,若A中1的个数为奇数时P=1,否则P=0,即偶校验方式。控制逻辑主要包括定时和控制逻辑、指令寄存器 、译码器以及地址指针DPTR和程序寄存器PC等。
8、(2)存储器组织51单片机在物理上有四个存储空间:片内程序存储器和片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。51的存储器组织结构如图2.3所示。图 2-3 51存储器组织结构程序存储器的某些单元是保留给系统使用的:0000H0002H单元是所有执行程序的入口地址,复位以后,CPU总是丛0000H单元开始执行程序。0003H002AH单元均匀地分为五段,用做五个中断服务程序的入口。用户程序不应进入上述区域。51的RAM虽然字节数不很多,但却起着十分重要的作用。256个字节被分为两个区域:00H7FH时真正的RAM区,可以读写各种数据。而80HFFH是专门用于特殊功能寄存器(SFR)的区域。
9、对于8051安排了21个特殊功能寄存器,每个寄存器为8位,所以实际上128个字节并没有全部利用。内部RAM的各个单元,都可以通过直接地址来寻找,对于工作寄存器,则一般都直接用R0R7,对特殊功能寄存器,也是直接使用其名字较为方便。8051内部特殊功能寄存器都是可以位寻址的,并可用“寄存器名.位”来表示,如ACC.0,B.7等。2.3 单片机最小应用系统电路设计8051系列的单片机AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。图片见下图附录1。附录1 89S51管脚图(1)管脚说明VCC:供电电压。GND:接地。P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TT
10、L门电流。当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时,P0 口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”
11、时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P
12、3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口,如下表所示:口管脚 备选功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 /INT0(外部中断0)P3.3 /INT1(外部中断1)P3.4 T0(记时器0外部输入)P3.5 T1(记时器1外部输入)P3.6 /WR(外部数据存储器写选通)P3.7 /RD(外部数据存储器读选通)P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉
13、冲。在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时, ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。/PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP:当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(00
14、00H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出图2.4 单片机最小应用系统原理图复位的实现通常用2种方式: 开机上电复位和外部手动复位,本设计用的是外部手动复位。电路图2.5如下:图2.5 单片机复位图AT89C51工作电压VCC=5V,其EA引脚需接高电平,5V电源电路如图2.6所示。图2.6 单片机电源原理图上半部分第一列完成之后,继续扫描下半部
15、分的第一列,为了接线的方便,我们仍设计成由上往下的扫描方式,即从P27向P20方向扫描,从上图可以看到,这一列所有的都不亮,所以代码为00000000,16进制为00H,然后单片机转向上半部的第二列,除了P05亮,其他的都不亮,即为00000100,16进制为04H,这一列扫描完成之后继续进行下半部分的扫描,除了P21亮,其他的为不亮,为二进制00100000,即16进制20H。按照这个方法,继续进行下面的扫描,一共扫描32个8位,可以得出汉字“宝”的扫描代码为 :02H,00H,01H,00H,7FH,FEH,40H,02H,80H,04H,00H,10H,3FH,F8H,01H,00H,0
16、1H,20H,1FH,F0H,01H,00H,01H,60H,01H,20H,01H,08H,7FH,FCH,00H,00H 图2.11 点阵显示原理图由这个原理可以看到,无论显示何种字体或图像,都可以用这种方法来分析出它的扫描代码从而显示在屏幕上。了解汉字的显示原理之后,那如何得到汉字的字模信息呢?现在有一些现成的汉字字模生成软件,可从网上下载汉字字库提取程序直接提取字库,如图2.12所示的为一种字模生成软件,软件打开后输入汉字,点击“检取”后,十六进制数据汉字代码即可以自动生成。2.4 点阵的移动以下以1616点阵为例介绍点阵的移动。要显示一个字符,该字符的点阵数据可以列向(纵向)16点组
17、字,又可以行向(横向)16点组字。1显示字符的左右移动(1)列扫描方式左移动:列向组字显示字符水平方向的移动(左滚动) 在这里有两个方法: 方法1:延长数组法。将原来字符点阵数组的16个数据重复一遍延长,点阵数组的数据个数为32个。每扫描仪帧取8个数据显示,下一帧取数要在数组中后移一个数取数。循环一遍扫16帧。可以假想有两块1616的点阵模块(共32帧)水平平行排列,用一个恰好能罩住8列点阵的中空方框去罩这个点阵,第1(第1帧)罩住最左边数起第一列开始的16列,就扫描显示这16列;第2次(第2帧)使方框右移一列,罩住做左边数起第2列开始的16列,就扫描显示这16列;这样每扫描完一帧使方框右移一
18、列,最后第16次(第16帧)时,罩住左边数起的第16列开始的16列,就扫描显示这16列。如此完成16帧画面的扫描显示,也就完成了整个一次移动循环扫描、之后反复循环,即可呈现显示字符沿水平向左移动的图像,如图2.13所示。 图2.13 方框图法左右移动示意图因为是列向组字(列扫描方式,点阵数据为行码,上边为地位下面为高位),希望显示移动的一个字符,第1次扫描从行码的点阵数组中取第116个数据,送行码输出口,对应于这8个数据,同时用列码输出口输出列码,分别控制第116列。扫描完前16个数据之后,第2次扫描从点阵数组中取第214个数据(第17个数据与地1个数据同),送行码输出口,对应于这16个数据,
19、同时用列码输出口输出列码,仍分别控制扫地116列。第3次扫描从点阵数组中取第318个数据(第18个数据码与地2个数据码相同)扫描;如此实现字符向左移动。2.5 LED阵列驱动电路正向点亮一颗LED,至少也得10到20毫安,若电流不够大,则LED不够亮!而不管是8051的输入还是输出端其高态输出电流都不是很高,不过12毫安而已。因此,很难直接高态驱动LED。这时候就需要额外的驱动电路,分别针对共阳极和共阴极LED阵列,有两种不同的驱动方式。针对输出态的不同,分为:高态扫描-高态显示,高态扫描-低态显示,低态扫描-高态显示和低态扫描-低态显示四种方式。下面针对设计中实际用到的一种驱动方式介绍一种:
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